6 th International-Advenced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey

Transkript

1 6 th International-Advenced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Bir Krank Kol Yatağına Plazma Püskürtme Yöntemiyle Uygulanan Zn-30Cu-10Al-5O- 15C ve Zn-25Cu-10Al-5O-15C Kompozit Kaplamaların Aşınma ve Mikro Yapı İncelemesi H. Hazar 1, Ö. Cihan 2 and S. Buytoz 3 1 University of Firat, hanbeyhazar@hotmail.com 2 Hakkari Üniversitesi, omercihan@hakkari.edu.tr 3 University of Firat, hanbeyhazar@hotmail.com The Investigation of the Wear and Microstructure Compozite of the Coatings Zn- 30Cu-10Al-5O-15C and Zn-25Cu-10Al-5O-15C Produced by. Plasma Spraying Process of the a Crankshaft Bearing Abstract Experientially committed in this study, 6LD400 Lombardini crankshaft bearing surface have been coatwed zinc based two alloy used atmospheric plasma spray. As of microstructural of the coatings and matrix have been investigated with the Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The coated bearings compared to matrix there is a view further pore and homogeneous. In testing wear, at least mass loss have been consisted of alloy Zn-25Cu-10Al-5O-15C in view of as a function lubricant zinc-rich bearing of the surface. Maximum micro hardness value is 70 HV which is determined of the composite bearing. Keywords Wear, crankshaft bearing, zinc, atmospheric plasma spray I. GİRİŞ Maddenin katı, sıvı ve gaz halinden başka çok yüksek sıcaklıklarda karşılaşılan, plazma olarak adlandırılan dördüncü bir hali daha vardır. Yüksek sıcaklığa ısıtılan gazlar önce atomlarına ayrılır, sonra da atomdan dış yörünge elektronlarının kopması ile pozitif yüklü iyon oluşur [1]. Plazma kaplama metodu, bir tabakanın kuvvetlendirilmiş yüzey özellikleri ile farklı yapıda bulunan tabakayı kombine eder [2]. Plazma genel olarak; dış ortama karşı elektriksel olarak nötr, iyi bir elektrik ve ısı iletkeni, rotasyonsimetrik bir yapısı olan, yüksek sıcaklık ve enerji yoğunluğuna sahip, plazma magnetik ve termik olarak sıkıştırılabilen özelliklere sahiptir [3]. İçten yanmalı motorlarda silindir içerisinde oluşturulan yük veya gücü, makinenin hareket mekanizmaları ile yardımcı makinelere aktaran piston eksenel hareketlerini devir hareketine dönüştürülmesini sağlayan krank mili kam mili vb. hareketli parçaları taşıyan hareketsiz kısımlara yatak ve bunların yüzeylerine de yatak yüzeyi denir [4]. Motor yataklarının uzun süre, yüksek yük altında çalışması, krank mili yataklarının yorulma direncine sahip olması, ısıl direnç ve aşınmaya karşı dayanımını artırmaya gerek duyulmuştur. Teknolojinin gelişmesi sebebiyle mil ve yataklar arasındaki yağ kalınlığının gitgide azalması, yatağın çalışma koşullarını daha da güçleştirmiştir. Yağ filmi inceldikçe yatak ile mil yüzeyleri temas etmekte, bu durum ise anormal olarak aşınma ve yatak sarma tehlikesini meydana getirmektedir [5]. Yatak muylu arasında adhesiv aşınma meydana gelmektedir. Adhesiv aşınma özellikle birbirleri ile kayma sürtünmesi yapan metal-metal aşınma çiftinde ortaya çıkan kaynaklaşma olayının bir sonucudur. Birbiri üzerinde kayan teknik yüzeylerin çok küçük bir bölümü temas durumundadır. Bu küçük temas halindeki yüzeylerde gerilmeler minimum yüklemelerde dahi akma gerilmesi sınırına ulaşırlar ya da geçerler. Böylelikle moleküller yapışma kuvvetleri etkisini gösterir. Bu nedenden dolayı, bir parçadan diğerine malzeme geçişi, soğuk kaynaklaşma ve küçük parçaçıkların kesilmesinden dolayı oluşur [6]. Kaymalı yataklar kullanımları esnasında dışarıdan gelen yükleri karşılarken kuvvet yönündeki hareketi engellemek ve diğer yönlerdeki harekete izin vermekle görevlidirler. Bunu gerçekleştirirken sürtünmeden kaynaklanan enerji kaybını en aza indirmelidirler. Kaymalı yatak malzemelerinin düşük sürtünme katsayısı, yüksek aşınma direnci, yüksek yük kapasitesi, statik ve dinamik yüklere yeterli dayanım, iyi ısıl iletkenlik özelliği, iyi korozyon dayanımı, yabancı partikülleri gömme özelliği ve düşük ısıl genleşme özelliklerine sahip olmaları gerekir [7]. Bugün alüminyum ve alaşımları sahip oldukları özellikleri itibariyle endüstride kullanılan en önemli yapı ve mühendislik malzemelerinde birisi halini almıştır [8]. Saf alüminyumun, özgül ağırlık, elektrik ve ısı iletkenliğinin büyük olması, ayrıca korozyona karşı dayanıklılık özellikleri, onun bazı teknik alanlarda kullanımını değerli hale getirir [9]. Çinko esaslı alaşımlar günümüzde pek çok alanda geleneksel yatak alaşımlarının yerine geçmiştir [10,11]. Bu, söz konusu alaşımların geleneksel yatak 84

2 Bir Krank Kol Yatağına Plazma Püskürtme Yöntemiyle Uygulanan alaşımlarına göre daha üstün fiziksel, mekanik ve tribolojik özeliklere sahip olmalarından ileri gelmektedir [12]. Çinko elementinin kullanılmasının en büyük avantajı yüksek korozyon direnci göstermesidir [13]. Çinko içerisinde bakırın çözünürlüğü çok sınırlı olmasına rağmen, Zn-Al alaşımlarında Al miktarına bağlı olarak bakırın çözünürlüğü artmaktadır [14]. Zn-Al esaslı alaşımlara Cu, mukavemet ve sertliği arttırmak amacıyla eklenmektedir [14,15]. Yapılan çalışmada 6LD 400 Lombardini krank kol yatağını Zn-30Cu-10Al-5O-15C ve Zn-25Cu-10Al-5O-15C iki çinko esaslı alaşım kullanılarak atmosferik plazma püskürtme yöntemiyle yüzeye püskürtülmüştür. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deneyde kullanılan esas yatak ve kaplanan tozların kimyasal bileşimleri için orijinal yatağın C, 4.08 O, 0.99 Cu, 7.66 Sn ve Al kimyasal bileşiminden oluşmuştur. %99.0 safiyette ve 20 ila -45 µm partikül boyutu olan alüminyum, %99.0 safiyette ve 45 ila -90 µm partikül boyutundaki bakır ve %99.0 safiyette ve 45 ila -90 µm partikül boyutunda olan çinko tozları belirlenen alaşım oranında ayarlanarak esas yatak üzerine atmosferik plazmayla püskürtülmüştür. Matriks ile kaplama tabakası arasına astar tozu olarak 20 µm ila -53 µm partikül boyutunda Ni20Cr kullanılmıştır. Matriks üzerine kaplanacak tozların SEM görüntüleri Şekil 1 de kaplama tozlarının karışım oranı ise Tablo 1 de gösterilmiştir. Tablo 1. Kaplama tozlarının karışım oranları Karışım oranları Numune Zn Al Cu O C Numuneler ring on ring aşınma cihazında, statik yük altında ve yağlı ortamda aşınmaya tabi tutulmuştur. Aşınma deneyinden önce numuneler sartorius marka hassas dijital terazide 1/10000 g hassasiyetle tartılmış daha sonra numuneler belirlenen 42N, 67N ve 92N yükte aşınma deneyleri yapılmıştır. Aşınma mesafesi olarak 1690 m yol alındığında tezgah 30 dakikada bir durdurulmuş, numuneler tezgahtan çıkartılarak üzerinde kalan parçaçık ve yağlar alkolle temizlendikten sonra tartılarak ve ağırlık kayıplarına bakılmıştır. Aşınma testinden çıkan numunelerin mikro yapısına bakmak için, kesilen yatak kesitleri dik bir şekilde tutularak yatağın yan alanına işlem tatbik edilmiştir. Numunelerin yüzeylerin incelemek üzere ilk olarak mesh lik zımpara kâğıtları kullanılarak yüzeyleri temiz hale getirilmiş sonrasında 60/40 mikronluk elmas pasta ile numune yüzeyleri parlatılmıştır. Daha sonra numune yüzeyleri HNO3 ve alkol karışımlı çözelti hazırlanarak yüzeyleri dağlanmıştır. Şekil 1: Kaplamada kullanılan tozların SEM görüntüleri (a) Al tozu (b) Cu tozu (c) Zn tozu. Aşınmadan çıkan numunelerin mikro yapısı için, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılım spektrometresi (EDS) cihazları ile analiz edilmiştir. Yataklar mikro sertlik testine tutularak sertlik değerleri ölçülmüştür. Bunun için numunenin, üst yan yüzeyden alt yan yüzeye doğru 10 sn yük süresi boyunca 100 gf yük uygulanarak mikro sertlik testi yapılmıştır. Yatakların kaplanmasında kullanılan atmosferik plazma modeli Sulzer Metco 80 KW 9MB Plazma tabanca cihazıdır. Bu tabancanın besleme hızı birim saatte 3 libredir, kaplama kalınlığı 280 ila 330 mikron olup tabanca ile iş parçası arasındaki mesafe 85 mm dir. III. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Aşınma testi sonrası Zn-30Cu-10Al-5O-15C, Zn-25Cu- 10Al-5O-15C ve esas yatağından elde edilen ağırlık kayıpları Şekil 2 de gösterilmiştir. 85

3 H. Hazar, Ö. Cihan yükte en fazla kütle kaybını matriks göstermiştir. Özellikle yükün artmasıyla yatak iç yüzeyinde sıcaklık artışı oluşmakta ve yapısındaki malzemenin karakteristik özelliklerinden dolayı matriksteki aşınma oranının diğer numunelerden daha fazla çıkmıştır. Çinko esaslı alaşımlar iyi fiziksel, mekanik ve tribolojik özellikler, düşük maliyet, yüksek aşınma direnciden dolayı mil yatak malzemesi olarak kullanılır[18]. Bu bağlamda grafikte de görüldüğü üzere Zn-25Cu-10Al-5O-15C alaşımında çinkonun yüzdelik dilimi diğer alaşıma göre fazladır. Sonuç olarak Zn-25Cu-10Al-5O-15C nin aşınma direnci yüksektir. Aşınma testi sonrası numunelerin yüzeyinden alınan SEM mikro görüntüleri Şekil 3 te verilmiştir. Numunelere uygulanan aşınma deneyi sonucu X200 büyütmeli olarak aşınma izleri analiz edilmiştir. Görüntülere bakıldığında gözenekli yapı ve belirgin şekilde aşınma izleri görülmektedir. Şekil 2: Numunelerin 42N, 67N ve 92N da ağırlık kayıpları N yükte oluşturulan grafiklerde 1690 m aşınma mesafesi boyunca 30 dk. süreyle numunelerde meydana gelen kütle kayıplarına kaydedilmiştir. Matriks in N da ağırlık kayıpları sırasıyla 0,0030-0,0042-0,0051 dir. Zn-30Cu-10Al-5O-15C nin N da ağırlık kayıpları sırasıyla 0,0015-0,0025-0,0037 dir. Zn-25Cu-10Al-5O- 15C nin N da ağırlık kayıpları sırasıyla 0,0007-0,0013-0,0023 tür. Yatak üzerine uygulanan yük arttıkça yatak sıcaklığının yükselmesi yağın özelliğini kaybetmesine ve yatağın yük taşıma kapasitesini düşürmektedir [16]. Uygulanan yük artmasıyla birlikte numunelerdeki kütle kayıpları da artacaktır [17]. Şekil 2 ye bakıldığında uygulanan üç farklı 86 Şekil 3: Numunelerdeki kaplama tabakası SEM görüntüleri (a) Zn-25Cu-10Al-5O-15C (b) Zn-30Cu-10Al-5O-15C (c) Matriks

4 Bir Krank Kol Yatağına Plazma Püskürtme Yöntemiyle Uygulanan Yapının gözenekli oluşu yağı emmede ve çalışma sırasında yağ filminin çalışmasına önemli katkıda bulunmasından olduğu düşünülmektedir. Yapılan benzer çalışmalarda bu görüşü desteklemektedir [16]. Yapıda gözeneğin olması çalışma anında, yağın gözeneğe dolması böylece muylu yatak arası kayganlaşmayı sağlayarak aşınmayı azaltmaktadır. Zn-25Cu-10Al-5O-15C numune yapısının diğer numunelere oranla çinko olarak zengin η fazı aşınma dayanımı artırmaktadır. Bununla birlikte kaplama sonrası matriksten ve kullanılan tozlardan oluştuğu tahmin edilen oksit tabakasının da numunede aşınma direncini artırdığı düşünülmektedir. Ayrıca esas yataktan ve ısıl işlem sonucu oluştuğu düşünülen C oranlarının kaplamalarda yapının genelinde bulunmasına karşın belli bölgelerde yoğun olarak görülmektedir. Şekil 4 te Zn-25Cu-10Al-5O-15C, Zn-30Cu-10Al-5O-15C ve orijinal yatağın EDS analiz görüntüleri verilmiştir. Zn- 25Cu-10Al-5O-15C kaplamasının yüzeyinden alınan spektrumda %46.15 Zn, %24.59 Cu, %11.26 Al, %4.59 O, %13.42C verileri alınmıştır. Zn-30Cu-10Al-5O-15C kaplamasının EDS analizi %40.27 Zn, %30.74 Cu, %4.86 Al, %7.50 O, %16.62 C bulunmuştur. Matrikten EDS için alınan spektrumda ise %75.34 Al, %9.95 Sn, %0.72 Cu, %4.06 O, %9.93 C şeklindedir. Esas ve kaplamalı yatakların üzerine uygulanan 100 gf yüke 10 sn ye süresince mikro sertlik testine tabi tutulmuştur. Maksimum sertlik değerleri matrikste 43, Zn-25Cu-10Al- 5O-15C 57, Zn-30Cu-10Al-5O-15C ise 70 HV dir. Burada Zn-30Cu-10Al-5O-15C numunesinin sertlik değerinin yüksek çıkması alaşımın bakırca zengin olması dolayısıyla bakırın sertlik değerinin fazla olmasından kaynaklandığı söylenebilir. (a) Şekil 5: Numunelerde mikrosertlik (b) (c) Şekil 4: EDS analizi (a) Zn-25Cu-10Al-5O-15C (b) Zn-30Cu- 10Al-5O-15C (c) Matriks IV. GENEL SONUÇLAR Zn-25Cu-10Al-5O-15C ve Zn-30Cu-10Al-5O-15C yatak üzerine atmosferik plazma püskürtme yöntemi ile kaplama yapılmıştır. Üretilen iki alaşımda da oksijen ve karbon gözlenmiştir. Oksijenin, kaplama işlemi esnasında yapıdaki alüminyumum kolayca oksitlenmesinden kaynaklandığı, karbonun ise esas yataktaki karbon parçacıklarının püskürtme sonrası kaplama tabakasında görülmesinin numunelere ısıl işlem yapılırken oluştuğu düşünülmektedir. Numunelerden aşınma testi sonrası alınan verilere göre üç farklı yükte de en az ağırlık kaybının Zn-25Cu-10Al-5O- 15C numunesinde oluşduğu ve yükün artmasıyla numunelerdeki kütle kaybında da arttığı tespit edilmiştir. Numunelerdeki mikro yapıya bakıldığında gözenekli yapıya özellikle kaplamalı yataklarda fazla şekilde rastlanmıştır. Ayrıca yüzeyde belirgin aşınma izleri gözlenmiştir. Bu gözenekli yapı, matrikse Zn-Al-Cu ilave edilmesiyle homojen olarak dağıldığı ve gözeneklerin yatakta yağlayıcılığı artırdığı düşünülmektedir. Bakır oranının 87

5 H. Hazar, Ö. Cihan yüksek olmasından dolayı mikro sertlik değerinin en yüksek Zn-30Cu-10Al-5O-15C numunesinde olduğu görülmüştür. TEŞEKKÜR Yazarlar 2030 No lu projeye desteklerinden dolayı Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (FÜBAP) Koordinasyon Birimine teşekkür etmektedir. [17] S. Alam, S. Sasaki, and H. Shımura, Friction and wear characteristics of aluminum bronze coatings on steel substrates sprayed by a low pressure plasma technique, Wear, vol. 248, pp , [18] B.S. Ünlü, and E. Atik Evaluation of effect of alloy elements in copper based CuSn10 and CuZn30 bearings on tribological and mechanical properties, Journal of Alloys and Compounds, vol. 489, pp , KAYNAKLAR [1] M. Erdoğan, İ. Güneş, and F. Develi, Plazma sprey ve kullanım alanları, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, vol. 1, pp , [2] E. Lugscheıder, and P. Jokıel, " Plasmaspritzen- Verfahren, Anwendungen, Entwicklungen, Metall, Heft 3, pp , [3] L.M.Thorpe, " Thermal spray industry, Advenced Materials & Processes, pp , [4] İ. Can, Kurşun esaslı krank mili kaymalı yatak malzemesinin aşınma davranışı, Yüksek Öğretim Tez Arşivi, Elazığ, [5] T. Halamoğlu, Metal püskürtme yöntemiyle aşınmaya dayanıklı kaplamalar, Yüzey İşlemler Dergisi, pp , [6] U. Özsaraç, Endüstriyel yatak alaşımlarının aşınma davranışlarının karakterizasyonu, Yüksek Öğretim Tez Arşivi, Sakarya, [7] B. Günther, and I. Kanazawa, Self Lubricating Iron Base Materials by Mechanical Alloying, EURO PM 95 Proceedings, pp , [8] V.Ş. Ekinci, Alümina takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzeme üretimi ve mekanik özelliklerinin araştırılması, Yüksek Öğretim Tez Arşivi, Ankara, [9] Y. Gürleyik, Alüminyum ve alüminyum alasımları I, Mühendis ve Makina, vol. 34, pp , [10] E. Gervais, and C.A. Loong, New ZA alloys in die casting,, 11th International Pressure Die Casting Conference, pp.1-25, [11] D. Appelian, M. Palliwal, and D.C. Herrschaft, Casting with zinc alloys, Journal of Metal, pp , [12] A. Bektaşoğlu, and T. Savaşkan, Zn-60Al-(1-5) Cu Alaşımlarının kuru sürtünme durumundaki aşınma özelliklerinin incelenmesi, Mühendis ve Makine, vol. 46, pp , [13] H. Czichos, The mechanism of the metallic adhesion bond, J. Phys. D: Appl. Phys, Iopscience, vol. 5, pp , [14] M. Durman, and A. Türk, Bakır ilavesinin ZA-8 alaşımının mekanik ve mikroyapısal özelliklerine etkisi, J. of Eng. and Enviromental Science, vol. 18, pp , [15] S. C. Kurnaz, δ Alümina (Saffil) Takviyeli ZA-12 esaslı kompozit malzemelerin infiltrasyon yöntemiyle üretimi ve özelliklerinin incelenmesi, Yüksek Öğretim Tez Arşivi, İstanbul, [16] S. Özçelik, Cu ve Fe Esaslı T/M yatak malzemelerinin aşınma özelliklerinin deneysel incelenmesi, Yüksek Öğretim Kurumu Tez Arşivi, Konya,